Kinetik von QCD-Phasenübergängen in effektiven Beschreibungen

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Greiner
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250903567

Die starke Wechselwirkung wird im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchen mit der Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben. Die QCD ist eine nichtabelsche Eichtheorie und weist als grundlegende Eigenschaften die asymptotische Freiheit auf, d.h. die Wechselwirkung wird bei Streuprozessen mit hohem Energie- bzw. Impulsaustauschskalen klein ("laufende Kopplungskonstante"). Außerdem zeichnet sich die starke Wechselwirkung dadurch aus, daß die elementaren Teilchen, die Quarks und Gluonen, nicht als freie Teilchen beobachtbar sind sondern in Hadronen (Mesonen als Bindungszustand eines Quarks und eines Antiquarks und Baryonen als Bindungszustände dreier Quarks) mit verschwindender Nettofarbladung gebunden sind. Entsprechend erwartet man, daß im Zustand heißer dichter Materie sich die Quarks und Gluonen quasi frei bewegen können, d.h. daß bei einer kritischen Temperatur und/oder Dichte ein Phasenübergang stattfindet, bei dem die relevanten Freiheitsgrade nicht mehr Hadronen sondern Quarks und Gluonen ("Partonen") sind. Dieser Materiezustand wird als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bezeichnet.Neben der fundamentalen Eichsymmetrie weist die QCD im Sektor der leichten Quarks (up, down, strange) eine näherungsweise chirale Symmetrie auf, die im Vakuum und bei niedrigen Temperaturen und dichten spontan gebrochen ist, da sich ein Quark-Kondensat bildet. Auch hier erwartet man einen Phasenübergang bei hohen Temperaturen und Dichten, der durch das "Schmelzen" des Quarkkondensats und damit die Aufhebung der spontanen Symmetriebrechung einhergeht.Aus Gitter-QCD-Rechnungen weiß man, daß bei hohen Temperaturen und niedrigen Nettobaryonendichten diese Phasenübergänge stetige "Crossover-Übergänge" sind. Hadronische effektive Modelle weisen darauf hin, daß bei großen Nettobaryonendichten der chirale Phasenübergang von erster Ordnung ist. Dies läßt weiter vermuten, daß diese Linie eines Phasenübergangs erster Ordnung im Phasendiagramm in einem sog. kritischen Punkt endet, wo der Phasenübergang 2. Ordnung ist.In ultrarelativistischen Schwerionenstößen hofft man nun, Signaturen für einen Phasenübergang erster Ordnung bzw. eines kritischen Punktes in Form von Fluktuationen erhaltener Quantenzahlen wie Nettobaryonenzahl, die durch Kumulanten der entsprechenden statistischen Verteilungen quantifiziert werden können, nachweisen zu können. Ziel unseres Projektes ist die quantenfeldtheoretische Untersuchung, inwieweit sich solche Fluktuationen in einem endlichen System endlicher Lebensdauer wie dem bei Schwerionenstößen erzeugten "Feuerbällen" aus heißer dichter stark wechselwirkender Materie ausdehnen können. Dies erfordert sowohl grundlegende analytische Untersuchungen effektiver quantenfeldtheoretischer Modelle (wie dem chiralen Quark-Meson-Modell) im Nichtgleichgewicht in der Nähe von Phasenübergängen bzw. dem kritischen Punkt mit Hilfe der Realzeit-Greenfunktionen-Methode (Schwinger-Keldysh-Formalismus) als auch deren Simulation auf dem Computer.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen